miércoles, 17 de diciembre de 2008

Ciclos de Milankovitch. Precesión de los equinoccios






Milutin Milankovitch fue un astrofísico serbio, profesor de mecánica en la Universidad de Belgrado, que dedicó su carrera a desarrollar una teoría matemática del clima. En 1941 publicó sus conclusiones más importantes: los cambios en el reparto estacional de la insolación, debidos a factores astronómicos, son los responsables de la expansión y retirada de los grandes mantos glaciares del Pleistoceno. Las teorías de Milankovitch, que ya habían sido sugeridas por el escocés James Croll en 1864, fueron olvidadas y no renacieron con fuerza hasta la reciente década de 1980, en que se comprobó que existían correlaciones entre las periodicidades halladas por Milankovitch y los ciclos glaciales e interglaciales del Cuaternario. En 1920 Milankovitch publicó tales cálculos realizados por él mismo para la Tierra, Venus y Marte (Milankovitch M. 1920, Théorie Mathématique de phénomenès thermiques produits par la radiation solaire, Gauthiers-Volars, Paris) .

Debido a las influencias gravitatorias de los otros planetas del Sistema Solar, a lo largo de los milenios se van modificando cíclicamente diversos parámetros astronómicos del movimento de la Tierra, como son: a) la relación del momento de los equinoccios y de los solsticios con respecto al momento de mayor o menor lejanía de la Tierra al Sol (precesión de los equinoccios), b) la forma ligeramente elíptica de la órbita terrestre (excentricidad de la órbita), y c) la inclinación del eje de rotación de la Tierra (oblicuidad del eje). Al combinarse los tres ciclos de variación, con sus diferentes periodicidades e intensidades, se producen variaciones complejas en la cantidad de radiación solar interceptada en cada latitud y en cada estación del año.

En la teoria de Milankovitch se asume que la energía solar incidente en la Tierra en su globalidad y durante un año completo es siempre la misma (excepto en los cambios de excentricidad, en donde se admite un ligero cambio). La variación relevante radica en el diferente reparto de la energía en cada estación del año y en cada hemisferio, según van variando a lo largo de los años las características de la órbita (ver figura).
También es interesante anotar que cada uno de los tres ciclos de Milankovitch puede producir efectos climáticos que son diferentes en cada latitud.


Descripción



La Tierra describe una órbita ligeramente eclíptica alrededor del Sol (en la figura se ha exagerado la excentricidad de la elipse). El Sol no está ubicado en el centro de la elipse sino que ocupa uno de sus focos.



Hoy día, durante el solsticio de invierno del hemisferio norte (22 de Diciembre) la Tierra se encuentra próxima al punto de su órbita más cercano al Sol, el perihelio, que alcanza el 3 de Enero. La distancia al Sol durante esos días es la más corta del año, unos 147 millones de kilómetros, y por esa razón la Tierra en su conjunto recibe esos días el máximo de calor.


Por el contrario, durante el solsticio de verano del hemisferio norte (21 de Junio) la Tierra se encuentra próxima al punto de su órbita más alejado del Sol, el afelio, que alcanza el 4 de Julio. La distancia al Sol es la más larga del año, 152 millones de kilómetros, es decir unos 5 millones más que en el perihelio, y la Tierra en su conjunto recibe esos días un 3,5 % menos de energía solar (en algunos períodos glaciares las diferencias en la distancia eran de hasta 15 millones de km2).


A lo largo de los milenios van cambiando las fechas del perihelio y del afelio. Hace 11 ka (11.000 años) el perihelio ocurría en Junio y el afelio en Diciembre. Lo contrario de ahora.


Ocurre que en un ciclo de unos 23.000 años el eje de rotación de la Tierra va describiendo una figura cónica alrededor de una recta perpendicular al plano de la eclíptica. Así, hace unos 11.000 años el eje terrestre no apuntaba hacia la estrella Polar sino hacia la estrella Vega. Este lento movimiento de peonza, es debido a que la Tierra no es perfectamente esférica, pues en su período de formación quedó algo achatada en los polos y engordada en el Ecuador. Por otra parte, la propia eclíptica tiene también un lento movimiento de rotación, motivado por los cambios gravitatorios ejercidos sobre la Tierra por el resto de los planetas, que contribuye también a modificar la posición de los solsticios y de los equinoccios.


Consecuencias climáticas


En la época actual, ya que la Tierra pasa por el perihelio cuando es invierno en el hemisferio norte (Enero), la menor distancia al Sol amortigua en parte el frío invernal en ese hemisferio; de la misma manera, ya que la Tierra se encuentra en el afelio cuando es verano en el hemisferio norte (Julio), la mayor distancia al Sol amortigua el calor estival. Es decir, la actual configuración de la órbita terrestre alrededor del Sol ayuda a que las diferencias estacionales (verano-invierno) de temperatura en el hemisferio norte sean menores. Por el contrario, las diferencias estacionales en el hemisferio sur se agudizan. Ahora bien, al ser los veranos boreales más largos cuando el Sol está más alejado de la Tierra y los inviernos más cortos, en el conjunto de la energía estacional recibida las diferencias no son tan grandes.

La teoría paleoclimática tradicional indica que las glaciaciones y las desglaciaciones comienzan en las latitudes altas del hemisferio norte y luego se extienden al resto del planeta. Según Milankovitch para la acumulación de los grandes mantos glaciales de Norteamérica (manto de Laurentino) y de Eurasia (manto Finoescandinavo) se necesita un período de veranos frescos en las latitudes altas del hemisferio norte que disminuyan la ablación veraniega y permitan la persistencia de la nieve caída en el invierno anterior.


Para que se produzca esta acumulación de hielo y nieve es necesario que la insolación veraniega allí sea baja, lo cual ocurre cuando el verano boreal coincide con el afelio. Esta circunstancia se dio hace unos 22.000 años, cuando se produjo el máximo avance glacial (también ocurre ahora, pero entonces el efecto era mayor que hoy debido a una mayor excentricidad de la órbita). Por contra, la disminución del hielo continental se ve favorecida cuando la insolación veraniega en las latitudes altas es elevada y la insolación invernal es baja, produciendo veranos más cálidos (mayor deshielo) e inviernos más fríos (menor cantidad de nieve), situación que alcanzó su expresión máxima hace unos 11.000 años. Este cambio de ubicación estacional del perihelio y del afelio modificó el reparto estacional de energía solar e influyó probablemente de forma muy importante en el último proceso de desglaciación.


Ahora bien hay que tener en cuenta que la intensidad de la radiación en el verano está inversamente relacionada con con la duración del verano. Es debido a la segunda ley de Kepler, por la cual el movimiento de la Tierra se acelera cuando pasa por el perihelio. Este es el talón de Aquiles de la teoría de que la precesión es la que rige las glaciaciones. Cuando se tiene en cuenta la integración de la intensidad solar durante el conjunto del verano ( o mejor, del conjunto de los días en los que existe deshielo en los mantos del norte) la oblicuidad resulta ser más importante que la precesión y la excentricidad.



Figura: Precesión de los equinoccios. La línea gruesa indica la latitud intertropical en donde en alguno de los últimos 22.000 años, coinciden la época en la que el Sol pasa por el zénit (verano local) con el perihelio (época de mayor proximidad de la Tierra y el Sol) (nota: el mapa de fondo sirve únicamente de referencia geográfica para situar los paralelos).



El ciclo de precesión de los equinoccios es probablemente más determinante en el clima de las zonas tropicales que en las polares, en donde parece jugar un papel más importante la oblicuidad del eje (la oblicuidad tiene una periodicidad de 41.000 años y coincide bastante con la de los ciclos glaciales durante la transición del Plioceno al Pleistoceno, entre hace 2,5 y 1 millón de años).

Una de las señales indicativas de que la precesión de los equinoccios tiene importancia en los ciclos climáticos tropicales es la alta correlación existente entre sus fluctuaciones y la concentración de gas metano en la atmósfera, según queda atestiguado en los hielos de Groenlandia y de la Antártida. Se explica porque la concentración atmosférica de metano depende en gran parte de las emisiones desde los humedales continentales de Asia y Africa, y la humedad continental depende de la fuerza de los monzones estivales. Los monzones son más fuertes cuanto mayor sea el calentamiento veraniego en las tierras interiores de Asia y Africa, y esto ocurre cuando el perihelio recae en el verano septentrional. La mayor productividad de fitoplancton en el mar de Arabia, debido al incremento del afloramiento de aguas del fondo cuando los monzones de verano son intensos, atiende, según se constata en los sondeos marinos, al ciclo de la precesión de los equinoccios, y corrobora su importancia. También el Sahara y el Sahel eran más húmedos en la primera mitad del Holoceno debido a un monzón estival más potente, cuya causa era que la insolación en el norte de Africa durante el verano era mayor que la actual. Igualmente, el desplazamiento de la zona de convergencia intertropical ITCZ en América tropical determina cambios en las precipitaciones, tanto en el Caribe como en Brasil. Así, el ciclo de precesión de los equinoccios juega un papel determinante en el Trópico.